某露天矿山边坡岩体力学参数取值研究

2022-06-19张金梁徐宗明郭国祥谭璘霞

昆明冶金高等专科学校学报 2022年1期

卢萍，张金梁，徐宗明，郭国祥，聂琪，谭璘霞

(1.昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南昆明 650033; 2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650051; 3.云南磷化集团有限公司安宁矿业分公司，云南昆明 650300)

0 引言

露天矿山边坡稳定性制约着矿山安全高效生产，直接关系到开采的顺利和地质灾害的发生。研究露天矿山边坡稳定性的方法有工程地质分析法、极限分析法、刚体极限平衡法、数值分析法以及可靠性分析法。而无论采用哪种稳定性分析方法首先涉及到的是岩体力学参数的确定问题[1]。它的取值可靠性[2]决定了边坡设计和稳定性分析结果的准确性。岩体力学参数确定常用方法有试验法、岩体分类方法(经验折减法)、反演分析法、不确定性分析法和数值分析法。多年来，大量学者在关于岩体力学参数研究的方面作出了较大贡献：杨泽[3]将现场试验和经验分析法相结合，应用最小二乘法等方法确定岩体抗剪强度参数。Sanei M[4]、李建林[5]、Kamman K等[6]结合室内、现场试验法和数值模拟法，获得结构面抗剪强度参数的经验关系式，岩体破坏时的抗拉强度，岩体变形模量经验公式，点荷载指标综合强度评级。黄兴政等[7]应用结构面特性:RBI值、RQD值、弹性纵波速度等评价岩体力学参数；黄高峰[8]应用Hoek-Brown强度准则和Mohr-Coulomb准则估算岩体力学参数；宁宇[9]、南英华[10]、刘正宇[11]应用FLAC3D、3DEC软件反演确定岩体力学参数。本文测定了某露天矿边坡某个剖面中磷矿体、白云岩和细晶白云岩3种主要岩石力学参数，在根据现场地质资料、勘测资料得到RQD岩体分级和RMR值，将岩石力学参数进行折减成岩体力学参数。

1 工程地质概况

该露天矿山以磷矿开采为主，矿山边坡开采标高 2 035 m，高度达 300 m，走向为东西走向，产状351°∠46°，属于高陡倾顺层岩质边坡(图1)。矿区内地质以寒武系下统梅树村组含磷岩系为主。由北向南出露为泥盆系中上统、寒武系下统、震旦系上统。上部以泥岩、粘土岩夹海绿石砂岩为主，中部以灰白色细晶白云岩为主，下部以磷、锰质白云岩夹燧石为主；底板为寒武系梅树村组第一段(∈1m1)。岩性为层纹状含磷细晶白云岩、砂质白云岩夹燧石条(厚20～45 m)，碳酸盐沉积为主的白云岩(厚2.0～7.5 m)。在边坡顶部易产生裂缝，局部地区出现 0.1～5 cm 裂缝，对边坡的稳定性带来了安全隐患。后期随着开采进行底板岩层倾角变大，局部平台宽度不足，存在“一面坡”的形式，局部地段发生了滑坡，严重影响到采场的正常生产。目前边坡稳定性问题已成为该矿山亟待解决的重要技术难题。

图1 露天矿山采场现状Fig.1 Stope status of open-pit mine

2 室内岩石力学试验

因实际工程岩体受到裂隙、岩体结构、地下水和尺寸效应等因素的影响，室内岩块力学试验是定量得到岩石力学参数的最直接途径，但不能直接得到岩体力学参数(即不能直接应用于边坡稳定性分析)。本文将室内试验得到的岩石力学参数与现场岩体质量评价结合，试验得到岩石的单轴抗压强度、抗剪强度，抗拉强度、弹性模量以及泊松比，再用霍克-布朗(Hoek-Brown)强度准则进行折减修正估算到岩体力学参数。

2.1 室内试验

1)取样制样：根据边坡地层及地质构造情况分析，从现场选取磷矿石岩样，白云岩及沙质白云岩岩样，细晶白云岩岩样，在室内使用水切机JY-SQJ004(图2)、台式钻床Z512-2、切石机加工成试件9个长方体 50 mm×50 mm×100 mm，9个正方体 50 mm×50 mm×50 mm，15个圆柱体D50 mm×25 mm(图3)。

2)岩石的单轴压缩及变形试验：通过室内单轴压缩变形试验，得到抗压强度、弹性模量值及泊松比。试验过程中记录其试验数据并描述试件的破坏形式，通过公式计算岩石的单轴抗压强度值、弹性模量值及泊松比。

3)岩石的抗拉强度采用巴西法(劈裂试验法)得到，选取圆柱形试件(直径大于2倍高)，在压力试验机上，平行于试件的径向加载，使试件内产生垂直于加载方向的张力，整体试件因张力作用沿加载方向开裂，试验中记录破坏时最大载荷和破坏形式。通过公式计算得到抗拉强度。

(a) (b) (c)图2 水切机JY-SQJ004(a)、台式钻床Z512-2(b)、切石机(c)Fig.2 Water cutter JY-SQJ004(a)、 Bench drill Z512-2(b) 、Stone cutter (C)

(a) (b) (c)图3 部分长方体试件(a)、圆柱体试件(b)、正方体试件(c)Fig.3 Part of cuboid specimen (a)、cylinder specimen (b)、cube specimen (C)

(a) (b) (c)图4 抗压实验(a)、劈裂试验(b)和剪切试验(c)Fig.4 Compression test (a)、splitting test (b)and shear test (c)

4)剪切实验依据《工程岩体试验方法》(GB/T50266—2013)，采用倾斜压模法(或称变角度剪切法)进行，如图4c所示。在这种试验中，试验机给模具施加的载荷为P，模具再将载荷P分解为垂直于剪切方向的正压力Pcosα和平行于剪切方向的剪切力Psinα。每组剪切试验所使用岩样≥5个。采用线形回归公式计算岩石的抗剪强度值，即内聚力C和内摩擦角φ(图4)。

2.2 室内结果及分析

1)单轴抗压实验：按照《工程岩体试验方法》抗压强度RC：RC=Pmax/A，其中Pmax为最大载荷，A为试件断面面积。岩石的弹性模量和泊松比为试件抗压强度50%处的弹性模量和泊松比：

(1)

式(1)中E50%为试件破坏载荷的50%；μ50%和为破坏载荷50%处所对应的纵向(载荷作用方向)应变和横向(与载荷作用垂直的方向)应变。得到如表1、图5部分试件在单向荷载作用下的应力-应变曲线图。

2)抗拉(劈裂)实验：采用圆柱形试件进行对径压缩，抗拉强度ST=2Pmax/πDt,其中，Pmax为试件破坏时的最大载荷；D为试件直径；t为试件厚度；π为圆周率，得到如表2所示结果。

表1 单轴岩石变形试验结果Tab.1 The results form of uniaxial deformation test试件编号试件岩性容重/(kN·m-3)抗压强度/MPa弹模/ GPa泊松比123磷矿体2.692.582.7163.1988.1270.8851.1063.4570.090.2200.2700.240456白云岩及砂质白云岩2.672.732.75168.43143.60170.2180.6088.7291.110.2420.3100.280789细晶状白云岩2.792.912.78178.16190.45173.6951.7748.6549.110.3130.2600.280 图5 试件的抗压应力-应变曲线 Fig.5 Compression force-displacement curve of specimen 表2 劈裂试验结果Tab.2 Results of crackling test试件编号试件岩性厚度t/mm直径D/mm抗拉强度/MPa123磷矿体25.1824.1324.5549.3349.0948.992.0723.1692.961456白云岩及砂质白云岩25.2225.3724.8849.1749.1149.125.0975.3066.144789细晶白云岩25.1925.3625.0148.7750.3449.315.2704.9985.766图6 试件正应力-剪应力Fig.6 Normal stress-shear stress of specimen

3)剪切试验采用变角剪切，将最大正应力和最大剪应力进行拟合得到c和φ值，结果见图6、表3。

表3 岩石抗剪强度参数Tab.3 The parameters of rock shear strength

3 现场岩体质量评价

岩体自身的结构性状及对岩体质量进行评价是岩体力学参数取值研究的关键[12]，岩体质量评价方法众多,以RQD分级法、BQ分类法、Q分级法、CSIR分级法、GSI分类法应用较广[13]。

3.1 工程地质岩体结构面调查

结构面调查主要考虑岩石强度和岩体的完整性。岩体完整性由岩体结构面特性所决定，用龟裂系数表示。为了掌握工程岩体的结构面特性，笔者通过现场对边坡进行结构面现场调查，得到第一优势结构面是层理结构面，3种岩体的层理结构面间距和密度见表4，优势结构面调查结果见表5。

表4 层理结构面间距和密度统计Tab.4 Statistical stratified plane spacing and density

表5 优势结构面调查结果Tab.5 Survey results of dominant structural planes

在表4中可见，结构面(1)倾角非常近似等于边坡角，沿结构面不易出现滑动现象，边坡是基本稳定的，属于比较经济合理的边坡角。结构面(2)和(3)与边坡面近乎正交，满足稳定条件；3个优势结构面对整个边坡稳定性影响不大，而是结构面的组合作用对其影响较大。岩体在自重作用下，反倾结构面上容易产生拉应力，易发生断裂、顺层滑动现象。

3.2 RQD法

采用经验公式确定岩石质量指标RQD值[14]

RQD=100e-λt(λt+1)

(2)

式(2)中： t为阈值, 常值为 0.1 m, 计算时可取较大值, 结果取较小值。λ为节理面密度, 与节理间距互为倒数;计算得到：磷矿体RQD值为61.9%, 白云岩及砂质白云岩RQD值为65.25%, 细晶白云岩RQD值为48.9%。

3.3 CSIR分级法

CSIR分级法[14]是南非科学和研究委员会Bieniawski 提出的RMR分类方法, 选取完整岩石单向抗压强度、岩石质量指标RQD、结构面间距、结构面状态、地下水条件、结构面走向和倾角对边坡开挖影响程度等指标评分值的代数和作为划分岩体等级的依据。所得评分值代数和的不同将岩体划分为5类。

根据现场调查结果和计算得到, 磷矿体和白云岩及砂质白云岩属于一般偏下岩体(Ⅲ类), 接近差岩体级别；细晶白云岩属于一般岩体(Ⅲ类), 见表6。

表6 岩体质量分级Tab.6 Classification of rock mass quality

4 岩体力学参数研究

在考虑岩体的地质因素充分和具有大量岩石实验数据的条件下, 采用经验折减法能够得到比较合理的岩体力学参数。岩体力学参数研究即利用岩体的质量指标去估算岩体力学参数以及利用岩体的变形和破坏规律进行合理预测[15]。其中Hoek-Brown强度破坏准则能较全面地反映了岩体的结构特征对岩体强度的影响, 是目前使用较广的方法[16]。

4.1 Hoek-Brown 强度准则原理

Hoek-Brown经验强度准则反馈了岩体非线性破坏特征、结构面组数、岩石强度及其应力状态对岩体强度的影响。E.Hoek对m,s,a和地质强度指标GSI关系修订, 并提出参数D来处理爆破损伤和应力松弛。

最初的Hoek-Brown经验破坏准则[17]：

(3)

广义Hoek-Brown强度准则[17]可表示为：

(4)

其中

(5)

对于GSI>25 的岩体[18]：

s=exp[(GSI-100)/9],a=0.5

(6)

对于GSI≤25 的岩体：

s=0a=0.65-GIS/200

(7)

式(5)中：D为岩体扰动参数;主要考虑爆破破坏和应力松驰对节理岩体的扰动程度, 取值为0～1；s为岩体破碎程度;mi为完整岩块的Hoek-Brown常数；

4.2 Hoek-Brown准则参数的确定

(8)

2)爆破效应对岩体扰动程度D值的确定。露天矿山边坡稳定性易受到爆破采矿影响。在长期爆破震动荷载作用下, 边坡岩体中具有弹、塑性性状的结构面将产生不可逆累计变形, 裂隙扩展, 同时也会产生新裂隙。根据现场围岩节理状况、岩体开挖扰动程度[19], 确定细晶白云岩D=0.6, 矿体和白云岩及砂质白云岩岩性D=1。

3)GSI的确定。GSI地质强度指标, 引入岩体质量RMR分级法定量确定岩体质量等级。依据Z.T.Bieniawski研究认为, 修正后的RMR指标值与GSI值具有等效关系, 确定修正后的RMR指标值, 即得出GSI值[20]。磷矿体GSI(RMR)=41, 白云岩及砂质白云岩GSI(RMR)=40, 细晶白云岩GSI(RMR)=28.2。

4.3 岩体力学参数的确定

1) 岩体变形模量。E.Hoek等建议岩体变形模量Em可用式(9)进行估算[17]：

(9)

式(9)中：岩体变形模量单位为GPa。

2) 岩体抗剪强度参数。莫尔强度曲线可用式(9)确定：破裂面上的正应力σ和剪应力τ为[17]：

(10)

将相应的σ1和σ3代入式(10)就能在正应力-剪应力平面上得到莫尔包络线上σ与τ的关系点坐标。将点坐标数据进行回归处理确定出岩体抗剪强度参数。根据Hoek-Brown法原理,其中0<σ3<0.125σc。Hoek提出了抗剪强度非线性关系式：

lnτ/σc=aln(σ/σc-T) +b

(11)

其中常数A与B可由最小二乘法线性回归, 当σ=0时,τ=cm, 则岩体的凝聚力为

cm=Aσc(-T)B

(12)

由内摩擦角φm关系式得：

(13)

3) 岩体单轴抗拉强度[21]

(14)

其中，φL=0.85φ，cL=0.8c。

4.4 岩体力学参数计算结果

在岩体质量RMR分级结果，根据式(3)—(14)计算出的岩体力学参数见表7。

表7 岩体力学参数确定结果Tab.7 Determination results of rock mechanics parameters

4.5 现场原位剪切试验

为了更好验证岩体力学参数折减的合理性，选取对其中的抗剪强度进行验证。采用现场原位直剪试验直接求解岩体力学参数。参考杨泽[3]论文中相似矿山试验数据，现场测得砂质白云岩c=0.139 MPa，φ=29.24°，层纹状白云岩c=0.345 MPa，φ=43.41°。与本次岩体力学参数研究中抗剪参数(表7)折减后平均值较吻合，证明采用RQD值法、CSIR法与Hoek-Brown破坏强度准则相结合的岩体力学参数适合该类矿山。